周義德，劉 磊，高 龍，楊瑞梁

（中原工學(xué)院 ，鄭州450007）

大型集中空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)停泵水錘成因分析及防護(hù)

周義德，劉 磊，高 龍，楊瑞梁

（中原工學(xué)院 ，鄭州450007）

從停泵時(shí)回水和供水對(duì)水泵及止回閥造成的壓力脈沖角度，分析了空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)水錘產(chǎn)生的過程和原因，指出了大型空調(diào)水系統(tǒng)水錘的嚴(yán)重危害，給出了水錘壓力估算的基本方法，并從設(shè)計(jì)和運(yùn)行等方面介紹了防治和消除水錘現(xiàn)象的措施.

空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)；停泵水錘；水錘壓力；防治

水錘現(xiàn)象研究歷來已久，現(xiàn)有成果大多集中在水錘現(xiàn)象明顯、破壞力巨大的電站循環(huán)水輸送系統(tǒng)、提灌泵站等高揚(yáng)程供水領(lǐng)域［1－2］，而隨著集中空調(diào)系統(tǒng)在民用建筑中應(yīng)用的普及，水錘現(xiàn)象在空調(diào)水系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生，甚至造成相當(dāng)大的“水崩”事故.一般來講，空調(diào)系統(tǒng)越大，樓層越高，對(duì)水錘問題的設(shè)計(jì)考慮及操作不善造成的后果就會(huì)越嚴(yán)重，而目前學(xué)者和設(shè)計(jì)部門很多人員對(duì)這個(gè)問題尚沒有足夠的重視.本文將對(duì)大型集中空調(diào)水系統(tǒng)水錘的發(fā)生及危害、水錘產(chǎn)生的原因以及水錘產(chǎn)生壓力波的大小進(jìn)行分析，并就如何消除空調(diào)水系統(tǒng)中水錘的影響，提出合理化建議.

1 空調(diào)水系統(tǒng)水錘的產(chǎn)生及危害

水錘是流體流動(dòng)特性的瞬變過程，它是流體的一種非穩(wěn)定流動(dòng)，也稱壓力脈沖，即在壓力管道中，當(dāng)水流因某種原因而產(chǎn)生流速的急劇變化時(shí)，由于流體的慣性作用而引起管道內(nèi)液體的壓力急劇升高或降低.水錘現(xiàn)象的延續(xù)時(shí)間雖然極其短暫，但它會(huì)造成嚴(yán)重的工程事故，如因事故停泵在給水管路上產(chǎn)生水柱分離和斷流彌合水錘，則其破壞性更為嚴(yán)重.在輸水管道中，因某種原因，如發(fā)生事故停泵、閥門快速關(guān)閉等，使得壓力管道中流體速度發(fā)生劇烈變化，引起動(dòng)量轉(zhuǎn)換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象［3－4］.造成的結(jié)果，輕則管道系統(tǒng)振動(dòng)，影響管道系統(tǒng)壽命，重則水管破裂，釀成泵房淹毀，造成設(shè)備損壞，甚至造成操作人員傷亡等，特別是對(duì)于大型空調(diào)水系統(tǒng)，該問題不可等閑視之.

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，大型空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)水錘發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)中產(chǎn)生高于平時(shí)工作壓力幾倍至幾十倍的脈沖壓力，系統(tǒng)管道產(chǎn)生劇烈的上下前后振動(dòng)，并伴有來自系統(tǒng)遠(yuǎn)方的沉悶的管道振動(dòng)噪聲.如果不能及時(shí)采取措施，連續(xù)振動(dòng)幾次后，在水泵和制冷機(jī)進(jìn)口處的軟接就會(huì)很容易因?yàn)閯×业乃撼抖屏?，大量的高壓水柱就?huì)傾瀉而出，造成電機(jī)和設(shè)備進(jìn)水或被淹，應(yīng)力集中時(shí)可能振裂制冷機(jī)管道接口，設(shè)備產(chǎn)生位置移動(dòng)，甚至出現(xiàn)人身傷亡，后果十分嚴(yán)重.

2 空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)停泵水錘產(chǎn)生的原因分析

在大型空調(diào)水系統(tǒng)中，水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜.按水錘形成的外部條件，水錘現(xiàn)象可分為啟泵水錘現(xiàn)象、停泵水錘現(xiàn)象和關(guān)閥水錘現(xiàn)象，其中以停泵水錘的危害最為嚴(yán)重.本文將以空調(diào)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)水錘為例對(duì)水錘產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析.

2.1 水錘產(chǎn)生的過程

在大型集中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中，由于空調(diào)泵站工作人員操作不當(dāng)、突然停電、外電網(wǎng)事故跳閘或其他原因?qū)е滤脵C(jī)組突然斷電而停機(jī)，此時(shí)在泵站及管路系統(tǒng)中最容易發(fā)生的一種水錘現(xiàn)象，稱之為停泵水錘.如圖1所示，當(dāng)水泵緊急關(guān)閉時(shí)，水泵的慣性制動(dòng)快于系統(tǒng)中水流的減速，系統(tǒng)較大時(shí)，大量高速的水流由于慣性繼續(xù)在管道內(nèi)流動(dòng)，而在瞬間停滯的水泵葉片端面處受阻，在點(diǎn)2處產(chǎn)生的高壓如果不能及時(shí)釋放，將形成巨大的水力沖擊，其結(jié)果是像海浪碰到海岸一樣產(chǎn)生回流，造成葉輪進(jìn)水，點(diǎn)2處形成高負(fù)壓，此時(shí)自點(diǎn)3始循環(huán)水出水快速回流，使得泵出口止回閥迅速關(guān)閉；當(dāng)點(diǎn)2處的回流沖擊一段距離后，又會(huì)在重力的作用下沖回葉輪端面，透過葉輪縫隙沖向水泵出口，將止回閥再次頂開，并因動(dòng)能的抵消和撞擊反彈再次產(chǎn)生回流，與此同時(shí)，循環(huán)水出水在回流撞擊至止回閥閥板后也會(huì)再次改變流向，向供水方向沖擊.如此反復(fù)進(jìn)行脈沖，在止回閥兩側(cè)產(chǎn)生劇烈震蕩，造成止回閥反復(fù)開停，形成嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象.

圖1 空調(diào)水系統(tǒng)示意圖

由以上分析可以看出，停泵時(shí)，大型集中空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)水錘的產(chǎn)生與高揚(yáng)程輸送系統(tǒng)［1－2］不同，前者是由供水和回水在水泵葉輪和止回閥上的共同作用引起的，后者與供水的高速慣性回流撞擊止回閥有關(guān).

2.2 水錘產(chǎn)生的原因

停泵產(chǎn)生水錘的原因有以下幾個(gè)方面.

2.2.1 回水管道直徑大，存水量多

回水管直徑設(shè)計(jì)過大，造成管內(nèi)儲(chǔ)存水量大，停泵時(shí)積聚的能量就大，造成的沖擊就越嚴(yán)重.因此，回水管道也不是越大越好，應(yīng)以確保重力流速合適進(jìn)行設(shè)計(jì)為好，一般水泵回水管流速設(shè)計(jì)為1.0～1.2m／s.

2.2.2 系統(tǒng)靜壓水位高

系統(tǒng)靜壓水位越高，回水管儲(chǔ)存的能量就越大.一旦水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)，回水管內(nèi)的水流不會(huì)立即停止，在高靜壓水位的作用下，產(chǎn)生的水力沖擊就越大.在系統(tǒng)靜壓水位高于20m時(shí)，應(yīng)該注意這個(gè)問題.

2.2.3 采用單側(cè)離心泵

由于單側(cè)離心泵葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，停泵時(shí)，葉輪在失去動(dòng)力的情況下快速停止，此時(shí)大量的水流無法順利通過葉輪流向前方，葉輪對(duì)水流產(chǎn)生巨大的阻力，容易在葉輪的端面處產(chǎn)生較大的軸向水流推力而無法消除.其結(jié)果是形成反向回流，在葉輪端面產(chǎn)生負(fù)壓，回流一段時(shí)間后，水流又返回葉輪端面處形成巨大的推力，如此反復(fù)，造成較強(qiáng)的水力脈沖.而軸流泵或雙吸泵由于葉輪的安裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，停泵后葉輪對(duì)水流的阻力小，水流不易在葉輪端面處產(chǎn)生較大的水力沖擊，不會(huì)產(chǎn)生初始的大振幅水力沖擊，就不易形成較大的水力脈沖，系統(tǒng)產(chǎn)生水錘的可能性就小.

2.2.4 水泵吸水管道阻力小

冷卻水系統(tǒng)阻力越小，停泵時(shí)產(chǎn)生水錘的可能性就越大，因?yàn)檩^小的系統(tǒng)管道阻力無法吸收停泵時(shí)產(chǎn)生的水力脈沖.在靜壓水位較高時(shí)，系統(tǒng)中安裝大阻力的回水過濾器、換熱器等裝置以及管道的彎曲等，都對(duì)減弱水錘有一定的幫助.

2.2.5 系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)安裝不合理

系統(tǒng)管道安裝位置設(shè)計(jì)不合理，較長(zhǎng)的管道安裝固定不牢固等，造成水力沖擊無法在管道內(nèi)消除，從而很容易傳到整個(gè)管道系統(tǒng)而造成震動(dòng).管道系統(tǒng)的自振頻率和產(chǎn)生水錘時(shí)的水力沖擊頻率接近，是系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重水錘現(xiàn)象的原因之一，而系統(tǒng)的自振頻率和管道系統(tǒng)的安裝固定方法密切相關(guān).

根據(jù)上述分析，由于產(chǎn)生水力脈沖需要空間，開式系統(tǒng)提供了這方面的條件；而閉式系統(tǒng)由于水流一直充滿系統(tǒng)，兼之水的不可壓縮性，造成沖擊波的振幅會(huì)相對(duì)較小.因此，開式系統(tǒng)比閉式系統(tǒng)更容易產(chǎn)生水錘.

3 水錘產(chǎn)生的壓力分析

綜合上述分析可知，停泵時(shí)在水泵葉輪上產(chǎn)生的巨大壓力是水錘產(chǎn)生的最直接原因.分析計(jì)算水錘產(chǎn)生的壓力的大小，對(duì)加深對(duì)相關(guān)問題的研究和對(duì)大型空調(diào)水系統(tǒng)水錘產(chǎn)生的危害的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而在設(shè)計(jì)中采取必要的防水錘措施，具有重要意義.

3.1 水錘的傳播速度

在均質(zhì)管道輸送清水，且不考慮水中所含空氣情況下，水錘傳播速度a按下式計(jì)算［5］：

式中：E0—水的彈性系數(shù)，取2.025×108kg／m2；

E—管壁材料的彈性系數(shù)，對(duì)于鋼管，E＝2.06×

1010kg／m2；

δ—管壁厚度（m）；

D—管道內(nèi)徑（m）；

C1—不同壁厚、不同支承方式的系數(shù).

對(duì)于薄壁管道（D／δ＞25），當(dāng)管道只在上游端固定時(shí)：

式中：μ為管壁材料的泊松比，對(duì)于鋼材，μ取0.3.

3.2 水錘產(chǎn)生的壓力估算

水錘壓力的估算值如下［6］：

（1）當(dāng)兩水柱再彌合時(shí)即出現(xiàn)水柱沖擊，其壓力升高值按下式估算：

式中：Δv＝v1－v2，v1為水柱彌合前的運(yùn)動(dòng)速度，v2為水柱彌合后的運(yùn)動(dòng)速度.

（2）當(dāng)水泵出口設(shè)有止回閥，并在止回閥后水柱再彌合時(shí)，其壓力升高值按下式估算：

式中：v為水柱沖擊閥門或止回閥時(shí)的速度（m／s）.估算如下：

如果在管道水流開始倒流時(shí)止回閥關(guān)閉，則v＝v0（管道初始流速）；

如果在管道水流倒流后止回閥關(guān)閉，則v可按下式估算：

式中：Hα—出水池水面到止回閥門處的幾何高度

（m）；

ΣΔhi—出水池水面到止回閥門處管道正常運(yùn)行

時(shí)的水頭損失（m）.

水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的壓力變化主要取決于管內(nèi)流速的變化程度.停泵時(shí)，止回閥迅速關(guān)閉，管道內(nèi)流速急劇變化，這時(shí)產(chǎn)生的壓力可達(dá)到正常工作壓力的很多倍，其破壞程度較為嚴(yán)重.

3.3 水錘壓力計(jì)算舉例

例如，某工程地下室水泵距屋頂冷卻塔幾何高度為51m，水泵吸水管道運(yùn)行阻力損失為2mH2O，水泵吸水管流速為1.2m／s，水泵吸水管管徑為DN250mm，系統(tǒng)工作壓力為65mH2O.發(fā)生水錘時(shí)，止回閥如果在管道水流倒流后關(guān)閉，則計(jì)算出在系統(tǒng)中產(chǎn)生的水錘壓力值為722mH2O，是平時(shí)工作壓力的11倍，危害極大.

4 停泵水錘的防護(hù)措施

停泵水錘的防護(hù)措施有多種，根據(jù)工程實(shí)際情況，概括起來可分為如下幾個(gè)方面：

4.1 泄壓降錘

泄壓降錘主要是通過管道的泄壓設(shè)施降低停泵時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力脈沖.其方法有如下幾種［7］.

4.1.1 瞬時(shí)泄壓

在水泵入口及止回閥出口處安裝旁通管，并在旁通管上安裝旁通泄壓止回閥（見圖1）.停泵時(shí)，水泵出口止回閥關(guān)閉，由于水流的慣性，管道內(nèi)壓力急劇上升，旁通泄壓止回閥迅速打開，水泵被短路，管道內(nèi)水流由于慣性通過旁通泄壓止回閥繼續(xù)在管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，起到降壓、消除水錘的作用.

4.1.2 泄水降壓

通過泄水降壓的方法可以避免系統(tǒng)壓力迅速上升.屬于這種類型的設(shè)備有壓力泄壓閥、緩閉止回閥和水錘消除器等.

（1）壓力泄壓閥的工作原理與安全閥相似，可預(yù)先設(shè)定一定的壓力值，當(dāng)管道系統(tǒng)內(nèi)壓力超過設(shè)定值時(shí)，閥門就會(huì)迅速開啟，釋放超出預(yù)定壓力值的壓力；當(dāng)管道系統(tǒng)內(nèi)壓力低于設(shè)定壓力值時(shí)，閥門自行關(guān)閉，起到泄水降壓消除水錘的效果；

（2）緩閉止回閥.緩閉止回閥是只能單向開啟的閥門，它通過閥門緩閉的方式來消除水錘.其形式有旁通式、上阻式、側(cè)阻式等.該閥根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)整.在停電后3～7s內(nèi)閥門關(guān)閉70%～80%，剩余20%～30%的關(guān)閉時(shí)間根據(jù)水泵和管路調(diào)節(jié)，常在10～30s范圍內(nèi)；

（3）停泵水錘消除裝置.該水錘消除裝置能在無需阻止流體流動(dòng)的情況下，有效地消除各類流體在傳輸系統(tǒng)可能產(chǎn)生的水外錘和浪涌所引起的不規(guī)則水擊波震蕩，從而達(dá)到消除具有破壞性的沖擊波，起到保護(hù)系統(tǒng)的目的.

4.1.3 氣壓罐定壓

此方法在國(guó)內(nèi)使用不多，在國(guó)外使用較為廣泛.它利用氣體體積與壓力關(guān)系的特定定律工作.隨著管路中的壓力變化，氣壓罐向管道補(bǔ)水或吸收管路中的過高壓力，其作用和定壓罐類似.

4.2 減速降錘

4.2.1 增加水泵慣量

水泵增加飛輪，會(huì)增大泵回轉(zhuǎn)部分的慣性效應(yīng).選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的電動(dòng)機(jī)，使水泵葉輪延長(zhǎng)慣性運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間而逐步減速，從而使系統(tǒng)中的水流逐步降速，減少水流對(duì)葉輪和止回閥的沖擊，可有效消除停泵時(shí)的水錘現(xiàn)象.但這種方法需要一定的條件.

4.2.2 順序關(guān)閥停泵

對(duì)多臺(tái)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的水泵，應(yīng)順序停泵，每臺(tái)水泵的停止間隔時(shí)間應(yīng)不小于5min.停止最后一臺(tái)水泵時(shí)，應(yīng)逐漸關(guān)小閥門，關(guān)閥時(shí)間可根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定，一般應(yīng)不小于3min；有條件時(shí)不要關(guān)閉并聯(lián)的其他水泵閥門，以增加泄壓通道.單級(jí)對(duì)單泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)更應(yīng)注意這種情況.

4.2.3 變頻停泵

為克服突然停泵時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力，可對(duì)水泵采取變頻措施，停泵時(shí)逐漸降低轉(zhuǎn)速，從而降低水流的慣性沖擊力，這樣可以有效地消除水錘的影響.多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，對(duì)其中一臺(tái)變頻即可.

4.3 其他措施

（1）核算水錘壓力，正確選擇管道配件的工作壓力，以免在誤操作或者其他故障引起嚴(yán)重水錘時(shí)造成“水崩”危害；

（2）在系統(tǒng)換季首次沖水運(yùn)行前，應(yīng)確保排除管網(wǎng)系統(tǒng)中的空氣，特別是泵站內(nèi)局部最高點(diǎn)的空氣，以防止運(yùn)行及停泵時(shí)由于氣體壓縮引起的水錘現(xiàn)象［8］；

（3）增強(qiáng)管道支架的緊固程度，加大支架密度，適當(dāng)提高管道壁厚，以降低共振效應(yīng)，應(yīng)付水流沖擊對(duì)管網(wǎng)造成的危害.

（4）建立科學(xué)合理的開停機(jī)運(yùn)行管理制度，嚴(yán)格按照程序操作.開停機(jī)時(shí)至少2人在場(chǎng)，互相配合，互相監(jiān)督，確保無差錯(cuò).

5 結(jié) 語

大型空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)停泵時(shí)產(chǎn)生的水錘具有較大的破壞性.為了有效地避免水錘事故的發(fā)生，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解停泵時(shí)水錘產(chǎn)生的原因及危害，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)水錘壓力進(jìn)行計(jì)算與分析，選擇合理的承壓管路配件，壓力較大時(shí)采取必要的防護(hù)措施.運(yùn)行管理人員在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作、管理，維護(hù)相關(guān)安全保護(hù)設(shè)施，以防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生.

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Analysis on the Cause of Pump－off Water Hammer in Large－scale Concentrated Air－Conditioning Circulating Water System and Controlling Measures

ZHOU Yi－de，LIU Lei，GAO Long，YANG Rui－liang
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 45007，China）

The process and cause of the water hammer in air conditioning circulating water system as well as the severe undermines brought by it are analyzed in this paper from the view point of pressure pulse on pump and check valve caused by water return and water supply as pump fail.Furthermore，the basic method to estimate the water hammer pressure is given out.The measures to pravent and eliminate water hammer phenomenon are introduced from design and running.

air conditioning circulating water；system；pump－off water hammer；pressure of water hammer；controlling

TV13

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.05.010

1671－6906（2012）05－0042－04

2012－07－14

周義德（1957－），男，河南南陽人，教授.